采用FOC算法實現(xiàn)基于DSC的無傳感器永磁同步電機(jī)控制

出于對環(huán)境保護(hù)的考慮，預(yù)計更新的法規(guī)會不斷頒布出來，以要求開發(fā)更加節(jié)能高效的家用電器，例如洗衣機(jī)或空調(diào)。迄今為止，只有少數(shù)幾家供應(yīng)商推出的專有解決方案，提供了尖端的電機(jī)控制技術(shù)，可支持能效更高、噪聲更低的電器。不過，現(xiàn)在有了嶄新的變化——得益于新一代數(shù)字信號控制器(DSC)，以高成本效益方式實現(xiàn)高級電機(jī)控制算法已成為現(xiàn)實。

以要求通過改變電機(jī)速度來快速響應(yīng)洗滌和漂洗過程的洗衣機(jī)為例。為了讓洗衣機(jī)能夠完成這一任務(wù)，設(shè)計人員需采用高級電機(jī)控制算法。在眾多可用的高級電機(jī)控制技術(shù)中，場定向控制(FOC)技術(shù)脫穎而出，它可幫助人們設(shè)計節(jié)能安靜的洗衣機(jī)。假設(shè)讀者已具有FOC算法的應(yīng)用知識，本文從采用DSC實現(xiàn)基于FOC的無傳感器PMSM控制開始，主要介紹如何在電器中實現(xiàn)基于永磁同步電機(jī)(PMSM)的無傳感器FOC控制，以便為電器電機(jī)控制帶來最大的成本效益。

對于無法部署位置或速度傳感器的一些應(yīng)用，無傳感器FOC技術(shù)還可以克服一些由此產(chǎn)生的限制。例如，在一些壓縮機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)充滿機(jī)油會對線束布局有一些限制。在電器中采用PMSM電機(jī)時，由于PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場是恒定的，所以可以提供極高的效率。此外，電機(jī)的定子磁場通過正弦分布的繞組產(chǎn)生。與感應(yīng)電機(jī)相比，PMSM電機(jī)還具有極高的功率/尺寸比。與直流電機(jī)相同，它們的電氣噪聲也較低，因為它們不采用電刷。

為什么在電機(jī)控制中采用DSC？

DSC非常適合于洗衣機(jī)之類的電器，因為它們具有針對電機(jī)控制而定制的外設(shè)，例如脈寬調(diào)制器(PWM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和正交編碼器接口。在執(zhí)行控制器程序和實現(xiàn)數(shù)字濾波器時，由于DSC能夠在單周期中執(zhí)行MAC指令和小數(shù)運算，所以可以幫助設(shè)計人員優(yōu)化代碼的執(zhí)行。此外，對于需要飽和功能的運算，DSC提供了硬件飽和保護(hù)功能，可幫助設(shè)計人員避免發(fā)生溢出。

DSC 需要快速靈活的ADC來進(jìn)行電流檢測，這是電機(jī)控制中的一項關(guān)鍵功能。Microchip dsPIC DSC系列提供了這樣的ADC，能夠以1Msps的速率轉(zhuǎn)換輸入采樣，可同時處理最多4路輸入。這些ADC具有多種觸發(fā)選項，支持采用低成本的電流檢測電阻來測量電機(jī)相繞組電流。例如，可以通過PWM模塊觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，從而支持低成本的電流檢測電路。在特定的時間，開關(guān)晶體管允許電流流入檢測電阻，可在此時對輸入進(jìn)行檢測。

采用的電機(jī)控制開發(fā)工具

本文討論的FOC電機(jī)控制固件基于 Microchip的dsPICDEM MC1電機(jī)控制開發(fā)板。FOC算法采用Microchip的數(shù)據(jù)監(jiān)視與控制界面(DMCI)工具進(jìn)行測試和調(diào)試，該工具是MPLAB集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)的一個模塊。DMCI工具提供了快速的動態(tài)IDE，讓設(shè)計人員可以用圖形方式來表示應(yīng)用反饋。例如，在DMCI的IDE中，程序符號(變量)可以動態(tài)地分配給滾動條、直接輸入或布爾控件的任意組合，而IDE提供了對于這些符號(變量)的項目知悉導(dǎo)航功能。通過這些控件，用戶可以在DMCI IDE中交互式地更改程序變量的值。此外，用戶還可以動態(tài)地配置圖形，以查看程序生成的數(shù)據(jù)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(圖1)中，可以看到電機(jī)軸上沒有安裝位置傳感器，但電機(jī)上采用了一些傳感器來測量電流。這些傳感器的電感電阻較低，它們屬于逆變器功能模塊的一部分。這里采用一個三相逆變器作為功率級，用來驅(qū)動電機(jī)繞組(圖2)。

圖1：USB界面專用充電器。

圖2：三相逆變器驅(qū)動PMSM繞組。

FOC(或矢量控制)算法的簡要步驟

以下總結(jié)了控制PMSM的FOC算法步驟。

1.先測量三相定子電流ia和ib。根據(jù)ia+ib+ic=0，計算來自兩個電流傳感器的電流。

2.將三相電流轉(zhuǎn)換到2軸坐標(biāo)系中。該轉(zhuǎn)換根據(jù)測量的ia、ib和ic值得到變量iα和iβ。從定子的角度來說，iα和iβ是時變正交電流值。該步驟稱為Park變換。

3.采用控制循環(huán)上一次迭代時計算的變換角旋轉(zhuǎn)2軸坐標(biāo)系，使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。該轉(zhuǎn)換根據(jù)iα和iβ得到變量id和iq。現(xiàn)在，將正交電流id和iq變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。在穩(wěn)態(tài)條件下，id和iq將保持恒定。該步驟稱為Clarke變換。